Сегодня теория Большого взрыва является в космологии — науке о Вселенной в целом — доминирующей. Если провести обратный отчет расширения, обнаруженного Хабблом, можно прийти к выводу, что расширение началось примерно от 10 до 20 миллиардов лет назад. Так как самые старые скопления звезд во Вселенной имеют возраст примерно 12 миллиардов лет, расширению должно быть как минимум столько же. Так что 15 миллиардов — это вполне подходящая цифра, чтобы ею оперировать.
Картина того, что, по мнению астрономов и космологов, происходило в течение этого периода времени длиною в 15 миллиардов лет, становится все яснее и яснее (даже несмотря на то, что имеются сложности в установлении полной картины 10). Из равномерно распределенного состояния, остатки которого все еще можно обнаружить в излучении, пронизывающем Вселенную, выкристаллизовались целые скопления галактик, что привело к образованию звезд и солнечных систем. Мы не знаем, как равномерное распределение материи могло привести к тому состоянию зернистости, которое мы наблюдаем у материи сейчас. Следовательно, мы не понимаем, почему в темном небе есть звезды, а не просто легкие облачка материи.
Но, возможно, это далеко не самый важный вопрос.
Самый насущный вопрос — это как все началось, когда началось расширение. Расширение представляет собой следующее: все разбавляется ничем. Если вернуться обратно во времени, все будет присутствовать — но «ничто» будет меньше. По мере того, как мы возвращаемся во времени, расстояния уменьшаются, мир становится меньше в размерах. Материя существует, но пространства меньше.
Если мы полностью вернемся на 15 миллиардов лет назад, там почти нет пространства — но много материи и излучения. Если двигаться по направлению к нулевой точке, плотность материи существенно растет. Космологи создали довольно хорошее описание Вселенной вплоть до самой первой секунды ее существования. И действительно, у нас есть представление о самой первой доли секунды в истории Вселенной. Фактически мы можем вернуться до того времени, которое называют планковским временем — в честь немецкого ученого Макса Планка, который открыл квант в 1900 году и вызвал к жизни появление целого направления физики, которое стало известно как квантовая механика. Оно описывает атомы и другие частицы.
Планковское время — это первые 0.0000000000000000000000000000000000000000001 (1043) секунд после того, как все началось. В то время вся видимая Вселенная, которую мы можем наблюдать сегодня, не была разбавлена таким большим количеством «ничто». Все было очень плотным — можно даже сказать, что все было единым. Но это все занимало какое-то место, даже несмотря на то, что это место, соответствующее нашей сегодняшней Вселенной, было размером менее одной сотой сантиметра в диаметре.
Все наши привычные концепции рушатся, когда мы пытаемся описать Вселенную планковского времени: время, пространство и материя были неразделимы. Все было подвержено квантовым флуктуациям — нарушениям, ассоциируемым с фундаментальным характером неуверенности, которой, как говорит нам квантовая механика, отмечен мир. Время и пространство постоянно менялись местами, и между ними нельзя было провести такого различия, какое мы можем провести в нашей Вселенной сегодня.
На самом деле в таком мире не действовали законы физики. Мы не можем применить к нему те законы природы, которые нам сегодня известны. Поэтому многие астрономы рады уже тому, что мы в состоянии проследить историю Вселенной до планковского времени. «Эти физические условия настолько экстремальны, что кажется полностью уместным рассматривать планковское время как момент создания Вселенной»11, - пишет американский астроном Джозеф Силк в стандартном учебнике космологии.
Но не все космологи оказались удовлетворены, так как настоящий вопрос, конечно, заключается в том, что случилось в момент сотворения, а не что произошло потом. Это кажется слишком обидным — проделать ментальное путешествие на 15 миллиардов лет назад во времени к моменту начала всего — и сдаться за долю секунды до того, как все началось!
«Мы обсуждали это во время поездки из Альбукерке», — объяснил Джон Уиллер, — но единственный ответ, какой нам удалось найти — это черные дыры». Это было в понедельник 16 апреля 1990 года, в комнате для лекций в маленьком здании Института Санта Фе по 1120 Каньон роуд. Семинар по запутанности, энтропии и физике информации только что начался, и великие умы были заняты, предлагая вопросы для дискуссий на эту неделю.
Уиллер проехал от аэропорта Альбукерке, первого города Нью Мексико, до живописного городка в горах Санта Фе, который некоторые умники называют Фанта Се, так как почти все жители города принимают участие в работе галерей искусств, лечении с помощью кристаллов и производстве атомной бомбы. Будучи популярным туристическим направлением, построенным в индейском стиле, Санта Фе является центром искусства и находится на плато, окруженном несравненными горными ландшафтами. У него есть как раз тот элемент грандиозной красоты, который заставил Роберта Оппенгеймера обосноваться неподалеку в местечке под названием Лос-Аламос. Оно стало добровольной тюрьмой, где сотни ведущих мировых физиков в глубочайшей секретности разрабатывали во время Второй мировой войны атомную бомбу. С тех пор Лос-Аламос стал одним из лидеров по разработке ядерного оружия — и науки в целом — в США.
Институт Санта Фе — это один из мировых центров междисциплинарных исследований запутанности. Во время поездки с одним из своих бывших студентов, который сейчас работает в Альбукерке, Уиллер задал очень простой вопрос, на который знал только один ответ: черные дыры.
Вопрос Уиллера был таким: «Если мы можем сделать термометр, который будет измерять тепло, почему мы не можем сделать энтропометр, который бы измерял беспорядок?»
Почему мы не можем создать аппарат, который смог бы однозначно сказать нам, сколько энтропии присутствует в физической системе?
Первоначальный ответ заключался в том, что энтропия — это величина, которая обязательно требует, чтобы мы установили макросостояния и микросостояния. Прежде чем можно будет говорить об энтропии, нужно будет обратиться к наблюдателю. И только когда вы знаете возможности наблюдателя, вы сможете сказать, сколько энергии, присутствующей в системе, не может быть ни для чего использовано. Только после того, как мы узнаем, насколько грубым является описание наблюдателя — и следовательно, его навыки — мы можем сказать, что можно получить из этой системы. Энтропия, как и информация, следовательно, может быть определена только тогда, когда вы уточните, насколько грубым является ваш анализ — когда вы установите размер ячеек в сети, с помощью которой собираетесь ловить рыбу.
Таким образом, не получится сделать энтропометр, который будет измерять величину беспорядка, или энтропии, в системе.
За исключением черных дыр.
Черные дыры — это завораживающее следствие теории гравитации и теории относительности, в которой ученик Эйнштейна Джон Уиллер является ведущим специалистом. Именно Уиллер в 1968 году дал этому странному феномену название «черные дыры». Черная дыра — это объем пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто не может ее избежать. Вся материя удерживается на месте мощным гравитационным полем — как и весь свет. Чтобы уйти от черной дыры, придется двигаться со скоростью большей, чем скорость света — а это невозможно. Таким образом, черная дыра окружена мембраной, которая обеспечивает проход только в одну сторону — в дыру.
Подобные черные дыры могут появляться как финальная фаза жизни звезд, когда излучения энергии больше не достаточно для продолжения жизни звезды и она просто гибнет под действием огромных сил, вызванных ее гравитацией. Черные дыры могут также возникать в центре молодых галактик, когда несколько звезд сходятся вместе.